[发明专利]基于长方体拟合扫描三维点云的曼哈顿结构建筑物自动建模方法

权利要求书

1.基于长方体拟合扫描三维点云的曼哈顿结构建筑物自动建模方法，其特征在于：包括步骤：

(1)获取数据对象：采用摄影测量技术或者三维激光雷达扫描仪扫描曼哈顿结构建筑物，获得其三维点云数据；

(2)建模：

1)通过RANSAC算法，提取步骤(1)中获得的三维点云数据中包含的平面结构；

2)将步骤1)得到的平面结构旋转，使其法向量分别与三个坐标轴相平行；将所述平面结构的法向量强制约束等于和它最接近的主坐标轴方向，得到新的平面参数方程；并更新平面结构；

3)将步骤2)更新后的平面结构根据指向分为三组，即G_X，G_Y，G_Z，分别代表法向量与X，Y和Z轴平行的三组平面；在所述三组平面的每一组中分别选择相邻的两个平面，得到6个平面；将这6个平面组合成一个备选长方体；所述长方体分为两类，一类是组合成为目标模型实体内部的，被视为有效建模的长方体，标记为1；另一类是实体外部的，非结构组成部分的无效的长方体，标记为-1；

4)给每一个长方体b_i计算一个覆盖度分值S(b_i)，具体而言，

其中，代表了长方体的一个面f的法向量，一个长方体共有6个面；代表参与拟合该面f的点p_j的法向量，点数目M在拟合之后有确定的值；而dist(p_j)表示了点p_j到平面f的距离；

5)根据步骤4)分别计算各个长方体的覆盖度参数；

6)根据步骤5)的覆盖度参数建立目标能量方程，具体形式如下：

其中，λ是用以权衡数据项和平滑项的权重参数；D(b_j)是由长方体b_j的覆盖度参数组成的数据项，

V(b_j,b_i)＝max(C_i,j,1) (6)

另外V(b_i,b_j)表示约束节点相互作用的平滑项，其中的C_i,j是为处理噪声和采样不均而设计的一个紧凑度函数；

7)采用的是经典的图割算法求解步骤6)建立的目标能量方程，将所有的长方体分类为对建模有效的长方体和无效的长方体两类；最终的三维几何模型就是由分类结果中有效的长方体组合而成的几何表面。

2.根据权利要求1所述的曼哈顿结构建筑物自动建模方法，其特征在于：所述RANSAC平面提取算法具体步骤如下：

11)每次循环计算过程中，利用随机采样的方法从三维点云数据X中任意选取不共线的3个点{x₁ⁱ,x₂ⁱ,x₃ⁱ}组成计算一个平面所需的最少条件，计算由这三个点确定的平面πⁱ；

12)比较平面πⁱ的法向量与三个点的法向量{n₁ⁱ,n₂ⁱ,n₃ⁱ}的差异是否小于预设的阈值来判断该平面能否作为备选平面；如果满足阈值条件，则将πⁱ纳入到备选平面集Π中；

13)获得备选平面πⁱ之后，定义一个计数器，计算三维点云数据中的所有采样点到平面的距离，以及所有点的法向量与平面πⁱ法向量的交角；如果某一点的距离和法向量交角都小于预设的拟合阈值，表示该点可以被认为是平面πⁱ的一个支撑点，则计数器加一；否则，计数器不记录该点；

14)在完成规定的循环计算次数后，备选平面集Π中获得最多支撑点数的平面被选出；然后，利用被选出的平面的所有支撑点，根据最小二乘平面拟合方法重新来计算优化平面位置，由此获得参数化的平面π_j；

15)产生了一个平面π_j后，对剩下的点集X/inliers_πj，重复步骤(1)到(4)继续提取平面，直到没有可以满足继续有效拟合一个平面的数据为止。